Formel zur Berechnung der Sammelschienengröße | Beispiele für Aluminium und Kupfer

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Die Berechnung der Sammelschienengröße ist für die Elektroinstallation sehr wichtig.

Bei jeder Elektroinstallation müssen wir auf alles achten, was Störungen und Brände verursachen kann. Es kann durch einen Unfall, Naturereignis oder Brand verursacht werden.

Wenn Sie von Bränden in einem Haus, einer Fabrik oder einem großen Gebäude gelesen haben, kommt es sehr selten zu einem Naturereignis. Naturereignisse werden durch natürliche Faktoren verursacht und natürlich werden Gebäude nicht so leicht von der Natur beeinflusst.

Das Wichtigste, was wir vermeiden müssen, sind Unfälle. Dieser kann auftreten, wenn wir bei der Durchführung und Verwendung der Elektroinstallation nicht sorgfältig geplant, entworfen, analysiert oder berechnet haben.

Diese Fehler und Brände werden durch das häufigste Element verursacht, das wir kennen: HITZE.

Wenn wir die Quelle der HITZE aus elektrischer Sicht betrachten, können wir ihre Ursachen auflisten:

• Kurzschluss.
• Überlastung.
• Schlechte Qualität der Elektrokonstruktionen und Verkabelungen.
• Schlechte Qualität der elektrischen Geräte und Materialien.
• Schlechte Qualität der elektrischen Verbindungen.
• Schlechte Qualität der Erdungsdesigns und -materialien.
• Mangelnde Belüftung in den Paneelen.

Diese Punkte sind ziemlich schwer zu erkennen, bevor sie auftreten. Das Beste, was wir tun können, ist, die Fehler zu vermeiden, indem wir die oben genannten Ursachen beseitigen.

Was ist Sammelschiene

Elektrische Drähte werden üblicherweise verwendet, um Ströme von einem Punkt zu einem anderen Punkt zu liefern. Natürlich muss es kein Draht sein, es kann alles sein, was Strom leiten kann, wie z. B. Kupfer.

Elektrische Drähte sind sehr flexibel, weil wir sie biegen, rollen, isolieren, herumbewegen, nach Belieben fädeln und vieles mehr können.

Aber elektrische Kabel sind manchmal keine effiziente und kluge Wahl, wenn wir mit hohen Strömen zu tun haben. Sie werden es einfacher finden, eine Stromschiene oder einen massiven Leiter zu verwenden, um hohe Ströme von Ort zu Ort zu übertragen.

Diese Massivleiterschiene wird Sammelschiene genannt. Es besteht aus Kupfer in Form eines “Barrens“. Natürlich können wir es nicht biegen, rollen oder wie Drähte fädeln. Diese Sammelschiene ist in der Lage, hohe Ströme zu führen, wo die meisten elektrischen Drähte durchbrennen.

Selbst wenn Sie darauf bestehen, elektrische Kabel zu verwenden, benötigen Sie wirklich große und dicke elektrische Kabel, sodass dies für Preise und Installationen nicht günstig ist.

Machen Sie sich keine Gedanken über seine Konstruktionen und Installationen, wir können Bolzen verwenden, um eine Stange mit einer anderen Stange nach unserem Geschmack zu verbinden. Diese Schraube wird am Isolator installiert, um jede Sammelschiene ohne Unfall zu befestigen.

Über ihre Vorteile hinaus hat die Sammelschiene ihre eigenen Nachteile. Wir möchten auf keinen Fall eine Stromschiene ausstecken oder ohne ordnungsgemäße Vorgehensweise bewegen. Möglicherweise stoßen Sie irgendwo auf Warnschilder “Busbar Down for Maintenance“.

Dieses Zeichen zeigt an, dass die Stromleitung abgeschaltet wurde, damit wir sie warten, den Stecker ziehen, sie reinigen, ersetzen oder irgendetwas anderes tun können.

Denken Sie daran, dass eine Sammelschiene buchstäblich eine Kupferschiene ist, auf der selten eine Isolierung vorhanden ist. Wir müssen es vor Tieren, Vögeln oder Nagetieren schützen, die es berühren. Es kann Kurzschlüsse zwischen Stromschienen verursachen und natürlich Tiere töten, die es berührt haben.

So berechnen Sie die Sammelschienengröße

Bei dieser Gelegenheit sprechen wir über die Berechnung der Sammelschienengröße, um eine Überhitzung Ihrer elektrischen Systeme zu vermeiden. Wir werden untersuchen, wie wichtig es ist, die Sammelschienengröße zu berechnen, um eine Überhitzung zu vermeiden, die weitere Fehler verursacht.

Die Berechnung der Sammelschienengröße konzentriert sich nicht nur auf HT-Systeme (High Tension oder High Voltage). Sie liegen falsch, wenn Sie glauben, dass ein LT-System (Low Tension oder Low Voltage) es nicht wert ist, berechnet und analysiert zu werden.

Daher werden wir sowohl für HT- als auch für LT-Systeme studieren.

Es gibt eine gemeinsame Regel, die von den meisten Elektrikern, Elektroingenieuren und Beratern verwendet wird und die als “Daumenregel“-Methode bezeichnet wird.

Damals, als die Berechnung der Sammelschienengröße manuell durchgeführt wurde und sie natürlich ruhige Zeit damit verbringen, werden sie ungeduldig. Hier half ihnen die Daumenregel. Aber keine Sorge, heutzutage gibt es eine Menge Software zur Berechnung der Sammelschienengröße. Sie sind einfach zu bedienen und sparen Ihnen natürlich viel Zeit.

Faustregel für die Größe des Sammelschienenverstärkers

Diese Faustregel zeigt, wie viel Strom eine 1 mm² große Stromschiene aushalten kann.

Es gibt zwei gängige Materialien zur Herstellung einer Stromschiene, nämlich Aluminium und Kupfer. Sowohl Aluminium als auch Kupfer haben ihre eigene Fähigkeit, Strömen standzuhalten.

Eine 1 mm² große Aluminiumschiene kann 0,7 Ampere aushalten.

Eine 1 mm² große Kupferschiene kann 1,2 Ampere aushalten.

Natürlich stammen die obigen Beispiele nicht aus einer internationalen Norm, weil wir die Toleranzwerte nicht finden können. Einige Leute verwenden möglicherweise immer noch eine Aluminium-Sammelschiene, um 1 Ampere zu liefern. Einige andere Leute verwenden eine Kupferschiene, um 1,5 Ampere zu liefern.

Da diese primitive Methode später für hohe Ströme in tausend Ampere unzuverlässig wurde, mussten wir eine ordnungsgemäße Berechnung mit einem geeigneten Standard durchführen.

Elektrische Sammelschienengröße

Darüber hinaus müssen Elektroplaner und Ingenieure andere unterstützende Faktoren analysieren und berechnen, die wichtig zu berücksichtigen sind:

• Mindestabstand für Leiter-Leiter und Leiter-Erde.
• Richtige Auswahl des Sammelschienen-Isolator-Deadlocks.
• Sichere und adäquate Bolzenmontage für Mehrfachsammelschienenverbindungen.
• Thermische Effekte, die von Sammelschienen und Isolatoren sowohl unter normalen als auch unter extremen (fehlerhaften) Bedingungen erzeugt werden.
• Mechanische Resonanzen und elektrodynamische Kräfte unter normalen und extremen (Fehler-)Bedingungen.

Wir sollten die beiden folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Maximal zulässiger Temperaturanstieg für Bolzen
• Mindestabstände für Stromschienen

Die maximal zulässige Temperatur für die Schraubenverbindung von Stromschiene mit Stromschiene oder Stromschiene mit Schaltschrank muss ordnungsgemäß geplant werden.

Jetzt schauen wir uns den internationalen Standard IEC 62271-1 an, der in der folgenden Tabelle zusammengefasst ist:

Der zweite ist der Sammelschienenabstand, wo wir IEC 62271-1 als Beispiel verwenden. Beachten Sie die folgende Tabelle:

Standard-Sammelschienengröße in mm

Die Größe einer Sammelschiene wird durch die Stromstärke, Materialart, Form und Querschnittsfläche bestimmt. Natürlich ist auch der maximal zulässige Temperaturanstieg für jede Art von Material wichtig.

Aus der IEC 62271-1 können wir auch den thermischen Anstiegseffekt, die thermische Grenze, die Stababmessungen und die Stromfestigkeit in der folgenden Tabelle untersuchen:

So bemessen Sie die Sammelschiene

Die Sammelschienengröße wird nicht allein durch den Strom bestimmt. Sein Temperaturanstieg muss in den zulässigen Spezifikationen der nationalen oder internationalen Norm liegen. Die Standards, über die wir sprechen, sind:

• Britischer Standard, BS 159,
• Amerikanischer Standard, ANSI C37.20 und
• etc

British Standard, BS 159 besagt, dass der maximale Temperaturanstieg in 24 Stunden 50 °C höher ist als die Umgebungstemperatur. Die Umgebungstemperatur beträgt in der Spitze 35 °C bis 40 °C.

American Standard, ANSI C37.20 besagt, dass der maximale Temperaturanstieg innerhalb von 24 Stunden um 65 °C höher als die Umgebungstemperatur ist. Die Umgebungstemperatur beträgt 40 °C und es werden versilberte Anschlussbolzen verwendet. Wenn keine Schraube installiert ist, beträgt der zulässige Temperaturanstieg 30 °C.

Die Grundidee zur Dimensionierung einer Kupferschiene ist 2 A/1 mm2 (mm2) oder 1250 A/1 mm2 (in2), diese können in einigen Ländern unterschiedlich sein. Natürlich ist dies wie eine “Erste-Hilfe“-Entscheidung, aber die endgültige Entscheidung sollte auf mehr Faktoren beruhen. Sie sollten den Katalog des Herstellers überprüfen.

Die Sammelschienengröße hängt von ab

Überprüfen Sie die Liste unten, um zu erfahren, was wir oben über “mehr Faktoren“ erwähnt haben. Bei der Berechnung der Sammelschienengröße sollten wir die “Einsatzbereiche“ berücksichtigen.

1. Spannungsabfall

Die Sammelschiene hat eine niedrigere Impedanz, daher ist der Spannungsabfall geringer als bei elektrischen Drähten.

2. Hauptschalttafel

Nur ein Ausgang für jede Steigleitung, daher werden die Kosten und die Größe für das Hauptpanel reduziert.

3. Schaftgröße

Die übliche Größe für eine Stromschiene mit 1600 A Stromstärke ist 185 x 180 mm. Im Vergleich zu den elektrischen Leitungen, die bei gleicher Stromstärke zu führen sind, ist eine Stromschiene von einer Steigschachtgröße wesentlich günstiger zu bauen.

4. Anzahl der Kreisläufe

Für alle Stockwerke wird nur ein Kreis benötigt.

5. Feuer und Sicherheit

Isolatormaterialien, die für Sammelschienen verwendet werden, erzeugen keine giftigen Gase und korrosive Wirkungen, um einen Brand zu verursachen.

6. Fehlerwiderstandsniveau

Eine Sammelschiene hat einen viel höheren maximalen Nennstrom, normalerweise kann eine Steigleitung mit 1600 A 60 – 70 kA standhalten.

7. Installationszeit

Die Stromschieneninstallation verschwendet weniger Zeit.

Sammelschienengröße vs. Strom

Beachten Sie die folgende Kurzschlussfestigkeit für eine Sammelschiene:

1. Nennstrom 0 – 400 A = 25 kA für 1 Sekunde.
2. Nennstrom 600 – 1000 A = 50 kA für 1 Sekunde.
3. Nennstrom 1000 – 2000 A = 65 – 100 kA für 1 Sekunde.
4. Nennstrom 2000 – 5000 A = 100 – 225 kA für 1 Sekunde.

Nachdem wir die Stromstärke zusammen mit der Fehlerstromstärke aufgelistet haben, können wir sie weiter zusammen mit ihrem Querschnitt von 1 Quadratmillimeter (Quadrat mm / mm2) auflisten.

Aluminium-Sammelschienengröße

Lassen Sie uns ein einfaches Beispiel für die Berechnung der Aluminium-Sammelschienengröße durchführen.

Angenommen, wir benötigen eine Stromschiene, die 2000 A Strom führt und 35 kA Stromfehler für 1 Sekunde aushalten muss. Rückblickend auf die obige Tabelle beträgt die Mindestquerschnittsfläche der Sammelschiene, die wir benötigen, 443 mm².

Um diese 443 mm² große Aluminiumschiene zu erhalten, können wir eine 100 x 5 mm große Stromschiene verwenden. Dies ist die minimale Querschnittsgröße.

Unter der Annahme, dass wir eine Stromdichte von 1 A/mm², einen Skin-Effekt und einen Temperaturanstieg haben, benötigen wir möglicherweise eine 4 x 100 x 5 mm große Stromschiene.

Kupfer-Sammelschienengröße

Ähnlich wie bei der obigen Berechnung ist die Berechnung der Kupfersammelschienengröße recht einfach.

Angenommen, wir brauchen eine Sammelschiene, die 2000 A führt und einem Fehlerstrom von 35 kA für 1 Sekunde standhält. Als wir ein wenig nach oben zu unserer Tabelle gescrollt haben, haben wir festgestellt, dass mindestens 285 mm² benötigt werden. Als Mindestquerschnitt können wir eine Stromschiene von 60 x 5 mm verwenden.

Unter der Annahme, dass wir eine Stromdichte von 1,6 A/mm², einen Skin-Effekt und einen Temperaturanstieg haben, benötigen wir möglicherweise eine 4 x 60 x 5 mm große Stromschiene.

So bemessen Sie die Sammelschiene

Zum Schluss werden wir einige Sammelschienengrößenberechnungen mit einigen bekannten Formeln durchführen.

Angenommen, wir haben eine Sammelschiene mit der folgenden Stromstärke:

Nennspannung = 415 V, 50 Hz,

Wünschen Sie eine maximale Stromstärke der Sammelschiene = 630 Ampere.

Fehlerstrom (I_sc) = 50 KA

Fehlerdauer (t) = 1 Sek.

Die Betriebstemperaturerhöhungen für die Sammelschiene betragen:

Betriebstemperatur der Sammelschiene (θ) = 85 °C.

Endtemperatur der Sammelschiene während des Fehlers (θ₁) = 185 °C.

Temperaturanstieg der Sammelschiene während des Fehlers (θ_t=θ₁-θ)=100°C.

Umgebungstemperatur (θ_n) = 50°C.

Maximaler Temperaturanstieg der Sammelschiene = 55 °C.

Die Sammelschiene ist mit einem Gehäuse mit folgenden Spezifikationen abgedeckt:

Installation des Panels = Innen (gut belüftet)

Höhe der Panelinstallation vor Ort = 2000 Meter

Paneellänge = 1200 mm, Paneelbreite = 600 mm, Paneelhöhe = 2400 mm

Die Materialdetails unserer Stromschiene:

Stromschienenmaterial = Kupfer

Stromschienen-Streifenanordnungen = Vertikal

Stromdichte des Sammelschienenmaterials = 1,6

Temperaturkoeffizient des Materialwiderstands bei 20 °C (α₂₀) = 0,00403

Materialkonstante (K) = 1,166

Zulässige Festigkeit des Stromschienenmaterials = 1200 kg/cm²

Sammelschienen-Isoliermaterial = blank

Sammelschienenposition = Kantenmontierte Schienen

Sammelschieneninstallation Medium = Nicht belüftete Kanäle

Sammelschienensystem für künstliche Belüftung = ohne künstliche Belüftung

Unsere Sammelschienengröße ist:

Sammelschienenbreite(e)= 75 mm

Sammelschienendicke(n) = 10 mm

Anzahl Sammelschienen pro Phase(n)= 2 Anzahl

Sammelschienenlänge pro Phase(a)= 500 mm

Abstand zwischen zwei Sammelschienen pro Phase(e)= 75 mm

Sammelschienen-Phasenabstand (p) = 400 mm

Gesamtzahl der Schaltkreise = 3

Da die Sammelschiene keine eigene Isolierung hat, versehen wir sie mit einem Isolator, wie unten beschrieben:

Abstand zwischen Isolatoren auf derselben Phase (l) = 500 mm

Isolatorhöhe (H) = 100 mm

Abstand vom Isolatorkopf zum Sammelschienenschwerpunkt (h)= 5 mm

Zulässige Stärke des Isolators (F’) = 1000 kg/cm2

Und jetzt berechnen wir die Sammelschienengröße mit den Koeffizientenfaktoren “K“ unten.

Reduktionsfaktor der Sammelschiene

Wir werden Schritt für Schritt acht Derating-Faktoren einer Sammelschiene berechnen.

1. Reduzierungsfaktoren für Sammelschienen (K1)

Leistungsminderungsfaktor pro Phasenschiene:

Die Sammelschienenbreite (e) beträgt 75 mm und die Sammelschienenlänge pro Phase (a) beträgt 500 mm

Die Anzahl der Sammelschienen pro Phase beträgt 2.
Aus der folgenden Tabelle beträgt der Wert des Herabstufungsfaktors 1,83

Anzahl Sammelschienenleisten pro Phase (K1)

2. Reduktionsfaktor für Isolatormaterial (K2)

Stromschiene hat kein Isoliermaterial. Wir sagen also, es ist “blank“, daher ist der Derating-Faktor 1 aus der folgenden Tabelle.

3. Positions-Derating-Faktor (K3)

Die Position unserer Sammelschiene ist eine am Rand montierte Schiene, daher beträgt der Derating-Faktor 1 aus der folgenden Tabelle.

4. Reduktionsfaktor für Installationsmedium (K4)

Unsere Installation für die Sammelschiene ist ein unbelüfteter Kanal, daher beträgt der Reduktionsfaktor 0,8 aus der folgenden Tabelle.

5. Reduktionsfaktor für künstliche Belüftung (K5)

Wir verwenden keine künstliche Belüftung, daher beträgt der Reduktionsfaktor 0,9 aus der folgenden Tabelle.

6. Gehäuse- und Lüftungs-Derating-Faktor (K6)

Sammelschienenquerschnitt pro Phase (A)

= Sammelschienenbreite x Dicke x Länge x Sammelschienenanzahl pro Phase

= 75 x 10 x 500 x 2

= 750.000 mm

Gesamtquerschnitt der Sammelschienen für das Gehäuse

= Anzahl der Stromkreise x (Anzahl der Phasen + Neutralleiter) x Sammelschienenfläche pro Phase

Hier haben wir verwendet, dass die Größe des neutralen Busses gleich der Größe des Phasenbusses ist

Gesamter Sammelschienenbereich für das Gehäuse

Gesamte Gehegefläche

= Breite x Höhe x Länge
= 1200 x 600 x 2400
= 1.728.000.000 qm

Gesamte Sammelschienenfläche für Gehäuse / Gesamte Gehäusefläche
= 9000000/1728000000
= 0.53%

Der Plan für die künstliche Belüftung der Sammelschiene ist ohne künstliche Belüftung, daher beträgt der Reduktionsfaktor 0,95 aus der folgenden Tabelle.

7. Proxy-Effekt-Derating-Faktor (K7)

Der Sammelschienen-Phasenabstand (p) beträgt 400 mm.

Die Sammelschienenbreite (e) beträgt 75 mm

Der Abstand zwischen jedem Phasenbus beträgt 75 mm

Daher Gesamtbuslänge der Phase mit Abstand (w) = 75 + 75 + 75 + 75 + 75 = 225 mm

Sammelschienen-Phasenabstand (p) / Gesamtschienenlänge der Phase mit Abstand (w) = 400 / 225 =2

Aus der nachstehenden Tabelle ergibt sich ein Derating-Faktor von 0,82.

8. Installationshöhe der Sammelschiene Derating Factor (K8)

Wir haben die Sammelschiene 2000 m über dem Boden installiert, daher beträgt der Reduktionsfaktor 0,88 basierend auf der folgenden Tabelle.

Gesamt-Derating-Faktor

Nachdem wir die acht Derating-Faktoren erhalten haben, ist es an der Zeit, sie alle zusammenzufassen.

Gesamtreduzierungsfaktor

Formel zur Berechnung der Sammelschienengröße

Gewünschter Nennstrom der Sammelschiene (I₂) = 630 Amp

Strombelastbarkeit der Sammelschiene nach Derating-Faktor (I₁)

Sammelschienenquerschnittsfläche nach Strom (A)

Sammelschienenquerschnittsbereich gemäß Kurzschluss (Asc)

Wählen Sie eine höhere Größe für den Sammelschienenquerschnitt zwischen 436 mm² und 626 mm²

Endgültig berechnete Sammelschienenquerschnittsfläche = 626 mm²

Die tatsächlich ausgewählte Sammelschienengröße beträgt 75 × 10 = 750 mm²

Wir haben 2 Sammelschienen pro Phase ausgewählt, daher:

Tatsächlicher Sammelschienenquerschnitt Fläche pro Phase (A_P)

Die tatsächliche Sammelschienengröße ist kleiner als die berechnete Sammelschienengröße.

Von der Stromschiene bei Kurzschluss erzeugte elektromagnetische Kräfte

Elektromagnetische Spitzenkräfte zwischen Phasenleitern (F₁)

Gesamtbreite der Stromschiene pro Phase (w) = 75 + 75 + 75 = 225 mm = 2,25 cm

Sammelschienenabstand Phase zu Phase (d) = 400 + 225 = 625 mm = 6,25 cm

Tatsächliche Kräfte am Kopf der Stützen oder Stromschiene (F)

Die zulässige Stärke des Isolators (F’) beträgt 10 kg/mm2.

Die tatsächlichen Kräfte am Kopf der Stützen oder der Stromschiene sind geringer als die zulässige Stärke.

Kräfte auf Isolation halten sich in Grenzen.

Mechanische Festigkeit der Stromschiene

Die mechanische Festigkeit einer Sammelschiene kann berechnet werden mit:

Da wir zwei Stromschienen pro Phase haben, beträgt unser Trägheitsmodul 14,45.

Die mechanische Festigkeit unserer Stromschiene ist

Die zulässige Festigkeit einer Stromschiene beträgt 12 kg/mm²

Die tatsächliche Stärke unserer Stromschiene liegt noch innerhalb des zulässigen Bereichs.

Temperaturanstieg der Sammelschiene

Der maximale Temperaturanstieg (T₁) beträgt 35^oC.

Der berechnete maximale Temperaturanstieg (T₂) beträgt

Der berechnete Temperaturanstieg der Sammelschiene ist geringer als der angegebene maximale Temperaturanstieg.

Endergebnis

Größe der Sammelschiene = 2 Sammelschienen 75 x 10 mm je Phase.

Anzahl der Feeder = 3.

Gesamtzahl der Sammelschienen = 6 Sammelschienen 75 x 10 mm für Phase und 1 Sammelschiene 75 x 10 mm für Neutralleiter.

Elektromagnetische Kräfte an der Spitze der Stromschienenträger (F) = 3 kg/mm²

Mechanische Festigkeit der Stromschiene = 0,7 kg/mm²

Maximaler Temperaturanstieg = 30^oC.

Berechnung der Erdungsschienengröße

Erdleitergröße PE gemessen in mm² errechnet sich aus:

Wo:
I_Fehler = Fehlerstrom (A)
t(s) = Betriebszeit (s)
k = Konstante des Materials

Die Konstante des Materials kann aus der folgenden Liste abgelesen werden:

Beispiel:

Angenommen, wir müssen eine Erdungsschienengröße für einen Fehlerstrom von 20 kA bei 0,5 s unter Verwendung von GI-Material berechnen.

Etwa 185 qm.

Sie können eine 50 x 3,5 mm oder 25 x 8 mm Sammelschiene verwenden.

Berechnen Sie die Sammelschienengröße und den Spannungsabfall

Da wir die Berechnung der Sammelschienengröße durchgeführt haben, springen wir zur Berechnung des Spannungsabfalls.

Und wir müssen Sie daran erinnern, dass wir die Spannung nicht berechnen können, ohne die Werte von Strom und Widerstand zu kennen.

Wenn Sie diese Werte haben, können Sie das einfache Ohmsche Gesetz anwenden. Der Spannungsabfall ist gleich I x R.

Dabei ist I der von der Sammelschiene geführte Strom und R der Widerstand der Sammelschiene (Aluminium oder Kupfer).

Häufig gestellte Fragen